Circuits et Systèmes de Communication Micro-ondes Chap.4: Composants actifs hyperfréquences Halim Boutayeb Phone: (514) 875-1266 ex. 3066 boutayeb@emt.inrs.ca

Plan Introduction Diode Schottky Diode Varactor Diode PIN Transistor Bipolaire Transistor a effet de champs (TEC)

I. Introduction Deux types d’applications des éléments actifs hyperfréquences : Traitement du signal (commutation, modulation, conversion de fréquence, detection): Diodes pin, Schottky, varactor. Selon l’application, leur fonctionnement peut être linéaire ou non-linéaire du point de vue du signal appliqué. Generation du signal : transistors bipolaire ou à effet de champ. Les transistors sont surtout utilisés pour les amplificateurs, mais leurs propriétés non-linéaires peuvent être également exploitées dans la réalisation de mélangeurs, des multiplicateurs et des diviseurs de fréquences.

I. Introduction La conception d’un dispositif hyperfréquences fait appel aux connaissances suivantes: Le modèle (schéma équivalent linéaire ou non-linéaire/ paramètres S) d’un composant actif Prise en compte des limitations dans le fonctionnement du composant actif. Comportement du composant actif en fonction de la température.

I. Introduction Rappels: les semiconducteurs Les semiconducteurs sont des matériaux présentant une conductivité electrique intermédiaire entre les métaux et les isolants. Les états des électrons d’un matériau remplissent les niveaux d’énergies de manière croissante. Dans le métal le niveau maximum d’énergie atteint à 0 K se trouve dans la bande de conduction. Dans un semi-conducteur ce niveau est dans une bande interdite mais l’application d’une énergie suffisante permet aux électrons de se déplacer vers la bande de conduction.

I. Introduction Rappels: les semiconducteurs - Dans un semi-conducteur un courant électrique est favorisé par deux types de porteurs: les électrons (porteurs négatifs) et les trous (porteurs positifs). - Dopage N: excès d'électrons porteurs dans le semi-conducteur. - Dopage P: excès de trous (déficit d’électrons) dans le semi-conducteur. - Jonction PN: Jonction PN polarisée en direct Jonction PN polarisée en inverse

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II. Diode  Schottky Caractéristiques courant-tension d’une diode

II. Diode Schottky Principe de la diode Schottky - Une diode Schottky utilise une jonction métal-semiconducteur (au lieu d'une jonction PN). Le semiconducteur peut être de type N ou de type P. Lorsque le semiconducteur est de type P: le substrat riche en électron libre est un métal (et non pas un semiconducteur de type N). Le substrat déficitaire en électrons est alors le semiconducteur de type P. Avantages : Alors que les diodes standard ont une tension de seuil d'environ 0.6 V, les diodes Schottky ont une tension de seuil (pour une polarisation directe d'environ 1 mA) dans la gamme de 0.15V à 0.45 V. Grande vitesse de commutation. Applications: mélangeurs et détecteurs

II. Diode Schottky Principe d’un détecteur à diode supprimé par filtrage RF out DC RF in

II. Diode Schottky Profils des bandes d’énergie pour la diode Schottky Profil des bandes d’énergie lorsque le métal est en contact avec le semiconducteur. Une “barrière” de potentiel empêche les électrons ou les trous de se déplacer du métal vers le semi-conducteurs Métal Semiconducteur type N Le courant est crée par le déplacement des électrons du semi-conducteurs de type N vers le métal (se déplacement se fait par émission thermique). Il n’y a pas de recombinaisons de trous et donc la vitesse de commutation est plus grande que pour la diode PN.

II. Diode Schottky Built in potential Potentiel à travers le semi-conducteur

II. Diode  Schottky Polarization direct Polarization inverse

II. Diode  Schottky Caracteristiques

II. Diode  Schottky

II. Diode Schottky Equation de la diode Arséniure de gallium Circuit équivalent (modèle statique) I(V) V C(V) g(V)

II. Diode  Schottky Agilent HSCH 9161 Cut-off ≈ 100 GHz

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III. Diode Varactor Varactor = Variable Reactor Appelée aussi varicap. C’est une diode formée d’une jonction PN. Applications : VCO (Oscillateurs commendes en tension) Amplificateurs multiplicateurs de fréquence déphaseurs Deux profils de dopages : Abrupte Hyper-abrupte

III. Diode Varactor Quand une diode est polarisée en inverse, sa capacité diminue lorsque la tension inverse augmente. On a une capacité variable en fonction de la tension appliquée.

III. Diode Varactor Profil de densités des porteurs donneurs. Hyperabrupte: n entre 0.5 et 2.

III. Diode Varactor Variation de la capacite

III. Diode Varactor La diode varactor hyper-abrupte permet d’avoir une fréquence variant linéairement avec la tension Si n = 2 la fréquence de résonance est une fonction linéaire de V

III. Diode Varactor Modèle équivalent

III. Diode Varactor Exemples d’applications VCO Déphaseur Multiplicateur de fréquences

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IV. Diode PIN Région intrinsèque (non dopée)

IV. Diode PIN Applications : Les diodes PIN sont utilisées pour le contrôle du niveau et de la phase des signaux hyperfréquences. Avantages : - Elles peuvent supporter des puissances très élevées et consomment peu de puissance de contrôle. - Elles peuvent être commutée rapidement. - Elles sont très fiables.

IV. Diode PIN Modèle équivalent

IV. Diode PIN

IV. Diode PIN Commutateur à diode PIN Le signal est transmis que dans un seul sens La même antenne est utilisée en émission et en réception

IV. Diode PIN Atténuateurs à diodes PIN : contrôle automatique du gain.

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IV. Transistor bipolaire C’est un amplificateur de courant On injecte un courant dans l’espace base/émetteur afin de créer un courant multiplié par le gain du transistor entre l’émetteur et le collecteur. Les transistors bipolaires N.P.N. (négatif-positif-négatif) laissent circuler un courant de la base (+) vers l’émetteur (-). Ils sont plus rapides et ont une meilleure tenue en tension que les transistors P.N.P. base (-) émetteur (+), mais peuvent être produits avec des caractéristiques complémentaires par les fabricants pour les applications le nécessitant.

IV. Transistor bipolaire Applications et avantages : Fréquences < 8 GHz Gain et facteur de bruit optimum à des coût faible. Reproductibilité et fiabilité La maîtrise de la technologie silicium permet à cette technologie d’être plus utilise que les transistors à effet de champs

IV. Transistor bipolaire Montage base commune IC  IE pour VCB compris entre 0 et la tension de claquage de la jonction collecteur base

IV. Transistor bipolaire Montage emmetteur commun

IV. Transistor bipolaire

IV. Transistor bipolaire

IV. Transistor bipolaire

IV. Transistor bipolaire

IV. Transistor bipolaire

IV. Transistor bipolaire

IV. Transistor bipolaire

IV. Transistor bipolaire

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IV. Transistor à effet de champ La grille (gate en anglais) est l’organe de commande. Une tension entre la grille et la source permet de contrôler le courant entre la source et le drain. Le courant de grille est nul (ou négligeable) en régime statique.

IV. Transistor à effet de champ

IV. Transistor à effet de champ Applications et avantages : Peut fonctionner jusqu’à 60 GHz Bruit faible. Meilleures caractéristiques de distorsion et peut délivrer plus de puissance que les transistor bipolaires